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用断裂力学研究钢材裂纹断裂因素 （邱龙 四川水利职业技术学院 611231） 摘要：本文通过对断裂力学和裂纹的阐述，应用断裂力学中的“能量平衡法”找出对影响裂纹断裂的三大关键因素，通过一些方法对钢材裂纹的修复，以达到减少工程事故。 关键字：裂缝 ; 能量 ; 断裂 ； 修复 Abstract: Based on theelaboration offracture mechanicsandcrack,fracture mechanicsin theenergybalance method,identify theimpact ofcrackfractureofthe three key factors,through a number ofmethodsofsteelcrackrepair,in order to achievereduction of theaccident. Keywords:crack;energy;fracture;repair 目录 一、断裂力学简介…………………………………………………2 1.1断裂力学的形成…………………………………………………………2 1.2断裂力学的发展…………………………………………………………2 二、裂纹的类型…………………………………………………2 三、能量平衡法……………………………………………………2 四、裂纹的修复步骤和方法………………………………………5 4.1裂纹的修复步骤…………………………………………………………5 4.2裂纹的修复方法…………………………………………………………5 五、个人总结.................................................6 六、参考文献………………………………………………………6 一．断裂力学简介 1.1断裂力学的形成 1957年美国科学家G.R.Irwin提出了应力强度因子的概念，线弹性断裂理论的重大突破，应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。 1.2断裂力学的发展 断裂力学是起源于20世纪初期，发展于20世纪后期，并且仍在不断发展和完善的一门科学，因此它是具有前沿性和挑战性的研究成果。研究含裂纹物体的强度和裂缝扩展规律的科学。固体力学的分支，又称为裂纹力学。断裂力学的任务是：求得各类材料的断裂韧度，确定物体在给定外力作用下是否发生断裂，即建立断裂准则：研究荷载作用过程中裂纹扩展规律，研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂（即应力腐蚀） 第二种裂纹型称为同平面剪切型（in—plane shear mode）或者滑移型（sliding mode），简称II型。裂纹上下表面的位移方向刚好相反，一个向正x方向，另一个向负x方向。 第三种裂纹型称为反平面剪切型（anti—plane shear mode），简称III型，裂纹面一个向正z方向，另一个向负z方向，属弹性力学空间问题。 当给定材料时，得到了相应的材料参数，通过一系列的计算就可以保证材料裂纹的安全使用状态，就是通过格里菲斯的能量平衡法求得。 三．能量平衡法 在应力作用下，材料单位体积内的应变能力为 如果材料是线性的,则单位体积内的应变能力为 当固体材料内裂纹的长度增长至a时，在裂纹自由表面附近的区域将卸载，并释放出应变能。应用英格里斯解，就能算出有多少应变能。 把能量释放形象化的简单方法如图1所示，即认为裂纹侧面附近两个宽为a、高为βa的三角形区域完全卸载，而材料的其余部分仍然受全部应力σ的作用。参数β的选择应使应力与英格里斯解相一致，对于引起平面应力的荷载情况，β=π。于是，释放的总应变能U就是单位体积的应变能乘以两个三角形区域的体积： 这里，垂直于x-y平面的尺寸取为1，因为U就是单位厚度的试样释放的应变能，这是由裂缝的扩展而释放的应变能。但在形成裂纹的过程中，必定有键被破坏，所需的键能则被材料有效地吸收了。与裂纹长度a有关的表面能为：S=2γa 式中，是单位面积的表面能，因为形成了两个自由表面，故乘以因子2。如图2所示，与裂纹有关的总能量是以下两者之和；其一是正的被吸收的能量，用以形成新的表面；其二是由于裂纹侧面附近的区域卸载而释放的负的应变能。 随着裂纹的增长（a增大），与a的平方成正比的应变能最终拥有压倒表面能的优势当a超过临界裂纹长度时，系统将使裂纹变得更长、以降低其能量。在a=的临界处，只有增加应力才会使裂纹继续增长。但当a大于时，裂纹的扩展将不受约束、而是灾难性的。 令总能量S+U的导数为零，可得到临界裂纹长度值： 一旦上述条件满足，则快速的断裂即将发生，我们把此时的应力记做解的； 当材料表现出更多的塑性时，仅考虑表面能便难